(57)【要約】【課題】直流電源の制御方法において、バッテリーとキャパシタとを組み合わせた電源全体での損失を低減させる。【解決手段】キャパシタＣとそのキャパシタＣの充放電を制御する電気回路とを有する回生電流蓄積部ＲAをバッテリーＢに並列接続した直流電源の制御方法において、電流指令演算部２において、微分手段１によりバッテリー電圧ＶBを微分した微分成分と、キャパシタ容量の期待値ＣSと、を乗算してアシスト電流指令値ＩL*を算出し、ローパスフィルタにおいて、前記アシスト電流指令値ＩL*からバッテリ電流ＶBとアシスト電流ＩLとの分担比率を調整した補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*を導出し、その補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*に基づいて前記電気回路を制御する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャパシタとそのキャパシタの充放電を制御する電気回路とを有する回生電流蓄積部をバッテリーに並列接続した直流電源の制御方法であって、
電流指令演算部において、微分手段によりバッテリー電圧を微分した微分成分と、キャパシタ容量の期待値と、を乗算してアシスト電流指令値を算出し、時定数がキャパシタ容量の期待値と回生電流蓄積部の内部抵抗との積であるローパスフィルタにおいて、前記アシスト電流指令値から補正アシスト電流指令値を導出し、その補正アシスト電流指令値に基づいて前記電気回路を制御することを特徴とする直流電源の制御方法。
【請求項２】
キャパシタとそのキャパシタの充放電を制御する電気回路とを有する回生電流の蓄積部をバッテリーに並列接続した直流電源の制御方法であって、
電流指令演算部において、微分手段によりバッテリー電圧を微分した微分成分と、キャパシタ容量の期待値と、を乗算してアシスト電流指令値を算出し、振動角速度および減衰係数が下記式のローパスフィルタにより、前記アシスト電流指令値から補正アシスト電流指令値を導出し、その補正アシスト電流指令値に基づいて前記電気回路を制御することを特徴とする直流電源の制御方法。
振動角速度ωn＝√１／ＬS
減衰係数ζ＝ＲSＣS／（２√ＬS）
ＬS；バッテリー電流の振動を吸収する電気回路のインダクタンス
ＣS；キャパシタ容量の期待値
ＲS；回生電流蓄積部の内部抵抗
【請求項３】
請求項１または２記載の直流電源の制御方法を用いた移動車両であって、前記直流電源は回生動作可能なインバータを介して移動車両のモータに接続されたことを特徴とする移動車両。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源の制御方法に係り、特に前記直流電源の制御方法を用いた移動車両に関する。
【背景技術】
【０００２】
バッテリーフォークリフトなどのようなバッテリーを電源とする移動車両には、例えば鉛バッテリーなどの二次電池が搭載されており、ブレーキ時等に発生するモータからの回生電流をバッテリーに充電している。しかしながら、現存するバッテリーでは、回生時の急激に増大する回生電流を充電した場合、充電効率が悪く、またバッテリーの劣化を早め、電池寿命の低下に繋がる。
【０００３】
そのため、バッテリーにキャパシタ（例えば、電気二重層キャパシタ）を接続し、バッテリーに回生される電流の急変を抑制する方法が採用されている。その一つとして、バッテリーとキャパシタとを直接並列接続し、回生電力をキャパシタに充電させてバッテリーの寿命を延ばすとともに、回生電力の有効利用を図った方法が知られている。しかしながら、前記の方法では、キャパシタの内部抵抗がバッテリーの内部抵抗よりも高い場合、キャパシタに電流が流れにくいという問題があった。また、その解決策としてキャパシタの並列数を増やし内部抵抗を小さくする方法があるが、この方法ではコストが高くなってしまっていた。
【０００４】
一般にバッテリー寿命を延ばす手法としては、バッテリーと電力変換部（インバータやチョッパ）の直流回路間に、回生電流素子用のダイオードを接続し、回生エネルギーをキャパシタに蓄える方法（特許文献３）や、直流回路にチョッパ回路を接続し、このチョッパ回路とキャパシタとを内部抵抗０，容量ＣSのキャパシタと仮定し、前記チョッパ回路によってバッテリー電流を制御してキャパシタに回生エネルギーを蓄える方法等が挙げられる。
【特許文献１】特開平６−２７０６９５号公報
【特許文献２】特開２００２−３１５１０９号公報
【特許文献３】特開２００３−２１９５６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本願発明者は、前記のようにチョッパ回路によってバッテリー電流の制御を行う方法では、以下に示す課題があることに着目した。
【０００６】
すなわち、バッテリーに接続したキャパシタとその電圧を昇圧するためのチョッパ回路を内部抵抗０、容量ＣSのキャパシタとして動作させていたが、使用しているキャパシタには内部抵抗があり、損失も発生する。そのため、バッテリーに接続した回路を内部抵抗０のキャパシタとして制御することで、必要以上にキャパシタで充放電が行われ、キャパシタでの損失が大きくなる問題があった。
【０００７】
以上示したようなことから、直流電源の制御方法においては、バッテリーとキャパシタの抵抗関係およびインピーダンスの関係から、バッテリーとキャパシタとを組み合わせた電源全体での損失を低減することが要求される。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の請求項１は、キャパシタとそのキャパシタの充放電を制御する電気回路とを有する回生電流蓄積部をバッテリーに並列接続した直流電源の制御方法であって、電流指令演算部において、微分手段によりバッテリー電圧を微分した微分成分と、キャパシタ容量の期待値と、を乗算してアシスト電流指令値を算出し、時定数がキャパシタ容量の期待値と回生電流蓄積部の内部抵抗との積であるローパスフィルタにおいて、前記アシスト電流指令値から補正アシスト電流指令値を導出し、その補正アシスト電流指令値に基づいて前記電気回路を制御することを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項２は、キャパシタとそのキャパシタの充放電を制御する電気回路とを有する回生電流の蓄積部をバッテリーに並列接続した直流電源の制御方法であって、電流指令演算部において、微分手段によりバッテリー電圧を微分した微分成分と、キャパシタ容量の期待値と、を乗算してアシスト電流指令値を算出し、振動角速度および減衰係数が下記式のローパスフィルタにより、前記アシスト電流指令値から補正アシスト電流指令値を導出し、その補正アシスト電流指令値に基づいて前記電気回路を制御することを特徴とする。
振動角速度ωn＝√１／ＬS
減衰係数ζ＝ＲSＣS／（２√ＬS）
ＬS；バッテリー電流の振動を吸収する電気回路のインダクタンス
ＣS；キャパシタ容量の期待値
ＲS；回生電流蓄積部の内部抵抗
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の直流電源の制御方法を用いた移動車両であって、前記直流電源は回生動作可能なインバータを介して移動車両のモータに接続されたことを特徴とする移動車両。
【発明の効果】
【００１０】
以上の説明で明らかなように、請求項１記載の発明によれば、回生電流蓄積部を内部抵抗ＲS，容量ＣS（＞０）のキャパシタとして動作させることが可能となる。そのため、内部抵抗ＲSを調整することにより、キャパシタの内部抵抗およびバッテリーの内部抵抗に応じてバッテリー電流，アシスト電流の分担比率を調節し、抵抗値の低い方を優先的に充放電させることができる。その結果、回生電流蓄積部を内部抵抗０，容量ＣSのキャパシタと仮定した場合に比べて、バッテリーとキャパシタとを組み合わせた電源全体での損失を低減させることが可能となる。
【００１１】
請求項２記載の発明によれば、回生電流蓄積部を、インダクタンスＬS，抵抗ＲS，容量ＣSのＬＲＣ直列回路として動作させることが可能となる。そのため、インダクタンスＬSによりアシスト電流の振動周期を調整することでバッテリー電流の振動を吸収するとともに、抵抗ＲS，容量ＣSを調整して、バッテリー電流およびアシスト電流の分担比率を調節することができる。その結果、回生電流蓄積部を内部抵抗０，容量ＣSのキャパシタと仮定した場合に比べて、バッテリーとキャパシタとを組み合わせた電源全体での損失を低減させることが可能となる。
【００１２】
請求項３記載の発明によれば、移動車両の直流電源において、バッテリーとキャパシタとを組み合わせた電源全体での損失を低減させることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
［実施形態１］
図１は、本実施形態１における移動車両に用いられる直流電源の主回路を示す回路構成図である。図１において、符号Ｂは鉛バッテリーなどの二次電池を示し、このバッテリーＢに回生動作可能なインバータＩＮＶを接続し、このインバータＩＮＶを介してモータＭが制御される。また、ＲAは回生電流蓄積部を示し、リアクトルＬとスイッチング素子Ｓ1，Ｓ2とを有するチョッパ回路ｃｈと、キャパシタＣと、で構成され、前記バッテリーＢに並列接続される。
【００１４】
図２のチョッパ制御ブロック図に示すように、電圧検出器（図示省略）により検出されたバッテリー電圧ＶBは、ローパスフィルタＬＰＦ１でノイズの除去が施された後に微分手段１により微分される。２は電流指令演算部で、キャパシタＣに対する理想的な大容量キャパシタ電流の流入を実現するために、微分手段１から出力された微分成分と容量ＣSとの乗算を実行し、アシスト電流指令値ＩL*を算出する。なお、容量ＣSは、キャパシタＣが理想とする大容量キャパシタ電流の流入を実現するためのキャパシタ容量の期待値で、任意に設定される。
【００１５】
本実施形態１では、図２に示すように、下記（１）式に示すアシスト電流指令値ＩL*にローパスフィルタＬＰＦ２ａ（時定数；ＲSＣS）を通して導出されたＩL_LPF*を補正アシスト電流指令値とし、回生電流蓄積部ＲAを内部抵抗ＲS、容量ＣSのキャパシタとして動作させる。
【００１６】
アシスト電流指令値ＩL*＝ＣS・ｄ／ｄｔ（ＶB）…（１）
ローパスフィルタＬＰＦ２ａから出力された補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*はゲート信号作成部３に出力される。そのゲート信号作成部３は判定部３１と、ＮＯＴ回路３２と、第１ＡＮＤ回路３３ａおよび第２ＡＮＤ回路３３ｂと、減算部３４と、ＰＩ演算部３５と、ＰＷＭ制御部３６と、を備えている。このゲート信号作成部３は、チョッパｃｈにおけるスイッチング損失の低減を図るために、キャパシタＣの充放電の状況に応じて片側のスイッチング素子のみオンオフ制御するものである。なお、スイッチング素子Ｓ1，Ｓ2を交互にオンオフ制御させるようにゲート信号作成部３を構成してもよい。
【００１７】
ローパスフィルタＬＰＦ２ａから出力された補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*は判定部３１に出力され、その補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*と０との比較（すなわち、補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*の正負の判定）を行う。その比較の結果、補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*≦０と判定された場合には、判定部３１から「０」レベルの信号が出力され、ＮＯＴ回路３２を介して第１ＡＮＤ回路３３ａに「１」レベルの信号が出力される。また、補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*は減算部３４に出力され、減算部３４およびＰＩ演算部３５，ＰＷＭ制御部３６を介してスイッチング信号が第１ＡＮＤ回路３３ａに出力される。その結果、スイッチング素子Ｓ1がスイッチング制御される。なお、この場合、第２ＡＮＤ回路３３ｂはＰＷＭ制御部３６からのスイッチング信号が入力されるものの、判定部３１から「０」レベルの信号が入力されるため、スイッチング素子Ｓ2はオフ状態となる。
【００１８】
また、前記比較の結果、補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*＞０と判定された場合には、判定部３１から「１」レベルの信号が出力され、第２ＡＮＤ回路３３ｂに「１」レベルの信号が出力される。また、補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*は減算部３４に出力され、減算部３４およびＰＩ演算部３５，ＰＷＭ制御部３６を介してスイッチング信号が第２ＡＮＤ回路３３ｂに出力される。その結果、スイッチング素子Ｓ2がスイッチング制御される。なお、この場合、第１ＡＮＤ回路３３ａは、ＰＷＭ制御部３６からスイッチング信号が出力されるものの、ＮＯＴ回路３２から「０」レベルの信号が出力されるため、スイッチング素子Ｓ1はオフ制御となる。
【００１９】
すなわち、補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*（ｔ）≦０の場合スイッチング素子Ｓ1をオンオフ制御し、補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*（ｔ）＞０の場合はスイッチング素子Ｓ2をオンオフ制御する。
【００２０】
なお、減算部３４では、補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*と回生電流蓄積部ＲAに流入するアシスト電流指令ＩLとの差演算が実行される。その差信号はＰＩ演算部３５においてＰＩ制御され、ＰＷＭ制御部３６においてスイッチング素子のゲートオン時間（通電率）が決定される。
【００２１】
ここで、本実施形態１における補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*の決定方法について説明する。図３は、図１に示す直流電源の電流蓄積部ＲAを内部抵抗ＲS，容量ＣS（＞Ｃ）のキャパシタと仮定した等価回路である。なお、符号ＲBはバッテリーＢの内部抵抗を示す。まず、図３の容量ＣSのキャパシタがバッテリーＢに直接並列接続されている場合のキャパシタ電流ＩS_LPFを計算し、これを補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*とする。これにより、図１のチョッパ回路ｃｈとキャパシタＣとの回生電流蓄積部ＲAは、図３に示すように抵抗ＲS，容量ＣSのＲＣ直列回路４がバッテリーＢに直接並列接続されたように動作する。下記（２）式は図３の回路条件式であり、ラプラス変換，逆ラプラス変換により下記（３）式，（４）式が算出できる。
【００２２】
【数１】
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【００２３】
すなわち、図３に示すように、ＲＣ直列回路４とバッテリーＢとが並列に接続されているため、キャパシタ電圧ＶEDLCとバッテリー電圧ＶBとは等しくなる。また、キャパシタ電圧ＶEDLCは抵抗（抵抗値ＲS）とキャパシタ（容量ＣS）に係る電圧の和であり、ＲＣ直列回路４に流れるキャパシタ電流ＩS_LPF（ｔ）を用いて表現すると上記（２）式となる。また、時刻ｔ＝０時のキャパシタ電流ＩS_LPF（０）を０とし、上記（２）式の両辺をラプラス変換すると、キャパシタ電流ＩS_LPF（Ｓ）は上記（３）式となる。この上記（３）式から算出されるＩL_LPF*（ｓ）を補正アシスト電流指令値とする。また、上記（３）式を逆ラプラス変換することにより上記（４）式となり、補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*（ｔ）を算出することができる。
【００２４】
補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*を算出するために用いられるキャパシタ電流ＩS_LPFは、上記（３）式のように、バッテリー電圧ＶBの微分成分に容量ＣSを乗算し、時定数τ；ＲSＣSの２次ローパスフィルタＬＰＦ２ａを通過させた値となり、チョッパ制御ブロックを図２のように構成すれば導出することが可能となる。
【００２５】
本実施形態１のようにチョッパ制御ブロックを構成することにより、回生電流蓄積部ＲAを内部抵抗ＲS，容量ＣS（＞０）のキャパシタとして動作させることが可能となる。そのため、内部抵抗ＲSを調整することにより、キャパシタの内部抵抗ＲSおよびバッテリーＢの内部抵抗ＲBに応じてバッテリー電流ＩB，アシスト電流ＩLの分担比率を調節し、抵抗値の低い方を優先的に充放電することができる。その結果、回生電流蓄積部を内部抵抗０，容量ＣSのキャパシタと仮定した場合と比べて、バッテリーＢとキャパシタＣとを組み合わせた電源全体での損失を低減させることが可能となる。
【００２６】
［実施形態２］
図４は、本実施形態２における移動車両に用いられる直流電源の主回路を示す回路構成図である。なお、図１と同様なものについては同一符号を付してその詳細な説明を省略する。本実施形態２は、容量Ｃのキャパシタが、そのキャパシタＣの充放電を制御するための電気回路５を介して、バッテリーＢに並列接続される。前記電気回路５は、例えば実施形態１のチョッパ回路ｃｈが適用される。なお、キャパシタの充放電を制御できる電気回路であればチョッパ回路ｃｈに限定されるものではない。また、本実施形態２の直流電源は、実施形態１と同様にアシスト電流検出値ＩLを用いてアシスト電流指令値ＩL*を制御する。
【００２７】
本実施形態２では、図５の電気回路のブロック図において、実施形態１と同様にローパスフィルタＬＰＦ１，微分手段１，電流指令演算部２を介して導出されたアシスト電流指令値ＩL*（＝ＣS・ｄ／ｄｔ（ＶB）…（１））に、ローパスフィルタＬＰＦ２ｂを追加して算出されたＩL_LPF*を補正アシスト電流指令値とする。
【００２８】
補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*の決定方法について説明する。まず、図６に示すように、バッテリーＢに並列接続されたキャパシタＣと電気回路５とで構成された回生電流蓄積部を、インダクタンスＬSのリアクトル、抵抗ＲSの抵抗、容量ＣSのコンデンサを直列に接続したＬＲＣ直列回路６と仮定する。このＬＲＣ直列回路６がバッテリーＢに並列接続されている場合のキャパシタ電流ＩS_LPFを決定し、これを補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*とする。これにより、回生電流蓄積部は、図６のようにインダクタンスＬS，抵抗ＲS，容量ＣSのＬＲＣ直列回路６と等価な動作を実行する。下記（５）式は図６の回路条件式であり、ラプラス変換により、下記（６）式が得られる。
【００２９】
【数２】
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【００３０】
すなわち、図６の電源等価回路に示すように、ＬＲＣ直列回路６とバッテリーＢとが並列に接続されているため、キャパシタ電圧ＶEDLCとバッテリー電圧ＶBとは等しくなる。また、キャパシタ電圧ＶEDLCは、リアクトル（インダクタンスＬS）と抵抗（抵抗値ＲS）とキャパシタ（容量ＣS）に係る電圧の和であり、ＬＲＣ直列回路６に流れるキャパシタ電流ＩS_LPFを用いて表現すると上記（５）式となる。また、時刻ｔ＝０時のＬＲＣ直列回路６に流れるキャパシタ電流ＩS_LPF（０）を０とし、上記（５）式の両辺をラプラス変換するとＬＲＣ直列回路６に流れるキャパシタ電流ＩS_LPFは上記（６）式となる。
【００３１】
補正アシスト電流指令値ＩL_LPF*を算出するのに用いられるキャパシタ電流ＩS_LPFは、上記（６）式のように、バッテリー電圧ＶBの微分成分に容量ＣSを乗算し、振動角速度ωn＝√１／ＬS、減衰係数ζ＝ＲSＣS／（２√ＬS）のローパスフィルタＬＰＦ２ｂを通過させた値となり、チョッパ制御ブロックを図５のように構成すれば、導出することが可能となる。このローパスフィルタＬＰＦ２ｂの振動角速度ωn、減衰係数ζを調整することにより、キャパシタＣと電気回路５から構成される回路を任意のインピーダンスを持つＬＲＣ直列回路６として動作させることができる。
【００３２】
本実施形態２のようにチョッパ制御ブロックを構成することにより、回生電流蓄積部を、インダクタンスＬS，抵抗ＲS，容量ＣSのＬＲＣ直列回路６として動作させることが可能となる。そのため、バッテリーＢとキャパシタＣのインピーダンスの関係からインダクタンスＬSによりアシスト電流の振動周期を調整することでバッテリー電流ＩBの振動を吸収するとともに、抵抗ＲS，容量ＣSを調整することにより、バッテリー電流ＩB，アシスト電流ＩLの分担比率を調節することができる。その結果、回生電流蓄積部を内部抵抗０，容量ＣSのキャパシタと仮定した場合に比べて、バッテリーＢとキャパシタＣとを組み合わせた電源全体の損失を低減させることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】実施形態１における移動車両の直流電源を示す回路構成図。
【図２】実施形態１における直流電源のチョッパ制御ブロック図。
【図３】実施形態１における直流電源の等価回路。
【図４】実施形態２における移動車両の直流電源を示す回路構成図。
【図５】実施形態２における電気回路の制御ブロック図。
【図６】実施形態２における直流電源の等価回路。
【符号の説明】
【００３４】
Ｃ…キャパシタ
ｃｈ…チョッパ回路
ＲA…回生電流蓄積部
Ｂ…バッテリー
ＶB…バッテリー電圧
ＩL…アシスト電流
ＩL*…アシスト電流指令値
ＩB…バッテリー電流
ＲS…キャパシタ内部抵抗
１…微分手段
２…電流指令演算部
５…電気回路
ＬＰＦ２ａ，ＬＰＦ２ｂ…ローパスフィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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